一种滚珠螺母裂纹故障诊断方法技术

本发明专利技术涉及一种滚珠螺母裂纹故障诊断方法，包括：S1.建立滚珠丝杠螺母副正常状态下在径向方向的径向动力学模型；S2.在所述径向动力学模型中引入裂纹故障，建立故障状态下的径向动力学模型；S3.基于正常状态下的所述径向动力学模型进行仿真计算获取所述滚珠丝杠螺母副的正常运行仿真结果；基于故障状态下的所述径向动力学模型进行仿真计算获得所述滚珠丝杠螺母副在故障状态下的故障运行仿真结果；对比所述正常运行仿真结果和所述故障运行仿真结果，获取所述滚珠丝杠螺母副在故障状态下的异常特征；S4.采集所述滚珠丝杠螺母副的实际运行结果，基于所述异常特征对所述实际运行结果进行检测，并判断出滚珠丝杠螺母副是否具有裂纹故障。有裂纹故障。有裂纹故障。

【技术实现步骤摘要】
一种滚珠螺母裂纹故障诊断方法


[0001]本专利技术涉及机电作动器故障诊断
，尤其涉及一种滚珠螺母裂纹故障诊断方法。

技术介绍

[0002]由于各国在航空、航天以及航海领域中的投入不断增长和技术不断进步，对电驱动伺服技术的需求也变得迫切起来。因此能够直接将电能转化为机械能的机电作动器(EMA)也就应运而生。目前各国在飞行器副翼控制系统、新型起落架系统、航天器推力矢量控制系统、直升机姿态控制新型电动舵机、舰船操舵控制系统等关键系统的研制中均提出了对于高可靠性和高安全性EMA的需求。
[0003]EMA是一种集电机、伺服控制、机械传动等技术于一身的机电一体化系统，具有技术密度高、工况切换频繁等特点，这也使得EMA的故障率有所提升。尤其是作为运动机构的滚珠丝杠副，一旦卡死，整个EMA系统将完全丧失运动能力。因此，为保证机械系统高可靠性与安全性，有必要及时发现，甚至是提前预防机电作动器所发生的各类故障。
[0004]目前在EMA状态监控与故障诊断方面，目前大多数研究所采用的方法是诸如人工神经网络、深度学习等一类的数据驱动算法。而在物理建模方面，虽然已有很多针对滚珠丝杠副进行动力学建模的研究，但其研究对象大多为机床进给机构，针对EMA上所含滚珠丝杠副进行动力学仿真，并分析其故障机理和故障植入方法，从物理建模方面解决EMA故障诊断问题的研究很少。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种滚珠螺母裂纹故障诊断方法，滚珠螺母裂纹故障诊断方法。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种滚珠螺母裂纹故障诊断方法，包括：
[0007]S1.建立滚珠丝杠螺母副正常状态下在径向方向的径向动力学模型，；
[0008]S2.在所述径向动力学模型中引入裂纹故障，建立故障状态下的径向动力学模型；
[0009]S3.基于正常状态下的所述径向动力学模型进行仿真计算获取所述滚珠丝杠螺母副的正常运行仿真结果；
[0010]基于故障状态下的所述径向动力学模型进行仿真计算获得所述滚珠丝杠螺母副在故障状态下的故障运行仿真结果
[0011]对比所述正常运行仿真结果和所述故障运行仿真结果，获取所述滚珠丝杠螺母副在故障状态下的异常特征；
[0012]S4.采集所述滚珠丝杠螺母副的实际运行结果，基于所述异常特征对所述实际运行结果进行检测，并判断出所述滚珠丝杠螺母副是否具有裂纹故障。
[0013]根据本专利技术的一个方面，步骤S1中，建立滚珠丝杠螺母副正常状态下在径向方向的径向动力学模型的步骤中包括：
[0014]S11.基于所述滚珠丝杠螺母副建立三维坐标系；其中，以所述滚珠丝杠螺母副中螺母的轴向为z方向，以所述滚珠丝杠螺母副中螺母的铅锤径向为y方向，以所述滚珠丝杠螺母副中螺母的水平径向方向为x方向；
[0015]S12.将所述滚珠丝杠螺母副转化为等效模型；
[0016]S13.基于所述三维坐标系和所述等效模型对所述滚珠丝杠螺母副建立径向动力学模型。
[0017]根据本专利技术的一个方面，步骤S12中，将所述滚珠丝杠螺母副转化为等效模型的步骤中，包括：
[0018]将所述滚珠丝杠螺母副中的滚珠等效为弹簧阻尼系统；
[0019]将所述滚珠丝杠螺母副中的螺母及附加组件作为整体等效为质量块；
[0020]将所述滚珠丝杠螺母副转化为以质量块通过弹簧阻尼系统与丝杠相连接的等效模型。
[0021]根据本专利技术的一个方面，步骤S13中，正常状态下的所述径向动力学模型表示为：
[0022][0023]其中，c为阻尼常数；F
x0
、F
y0
分别为作用在所述螺母x方向、y方向上的预载荷；F
x
、F
y
分别表示所述螺母在x方向、y方向所受的径向力；m表示滚珠丝杠螺母副的整体质量，δ
x
、δ
y
分别表示所述螺母在x方向、y方向的位移。
[0024]根据本专利技术的一个方面，所述螺母在x方向、y方向所受的径向力F
x
、F
y
通过以下步骤获得，包括：
[0025]建立所述螺母在径向方向所受的径向力与所述滚珠所受径向弹性回复力之间的初始对应关系：其中，所述初始对应关系表示为：
[0026][0027][0028][0029]其中，n为初始承载滚珠数，θ为相邻两个滚珠之间的夹角，F
ni
表示滚珠所受径向弹性回复力，d
d
为滚珠直径，d
s
为丝杠节圆直径，γ为丝杠螺旋升角；
[0030]基于所述滚珠在所述螺母中的循环过程对所述初始对应关系进行优化，获得所述螺母在径向方向所受的径向力与所述滚珠所受径向弹性回复力之间在任意时刻下的真实对应关系；其中，所述真实对应关系表示为：
[0031][0032][0033]θ
pr
＝π(1
‑
mod(N
s
,1))cosγ
[0034][0035][0036]其中，T
b
表示滚珠通过周期，mod(N
s
，1)为N
s
除以1的余数，N
s
表示螺母中的实际承载滚道圈数；θ
pr
表示螺母中用于滚珠循环的反向器滚道开始/结束处与反向器对称中心线的夹角；θ
a
为滚珠螺母实际安装时反向器对称中心线超前于y轴的相位；F
nex
表示处于离开反向器过程中的滚珠所受径向弹性回复力；F
nen
表示处于进入反向器过程中的滚珠所受径向弹性回复力；n
s
为丝杠旋转速度；β为接触角；ω
bs
为滚珠球心绕丝杠旋转的角速度；
[0037]对滚珠所受径向弹性回复力F
ni
，滚珠在进入和离开所述反向器所受径向弹性回复力F
nen
和F
nex
分别进行求解获得求解公式，并表示为：
[0038][0039][0040][0041][0042][0043][0044]其中，δ
ni
表示第i个滚珠的径向弹性变形量；δ
nen
表示进入反向器的滚珠的径向弹性变形量；δ
nex
表示离开反向器的滚珠的径向弹性变形量；kn为赫兹接触刚度；∑ρ
bs
、∑ρ
bn
分别为滚珠与丝杠滚道和滚珠与螺母滚道的主曲率之和；r
s
、r
n
分别为丝杠滚道和螺母滚道的曲率半径；ν1、ν2、ν3分别为滚珠、丝杠、螺母的泊松比，E1、E2、E3分别为滚珠、丝杠、螺母的
杨氏弹性模量。
[0045]根据本专利技术的一个方面，所述螺母在x方向、y方向的位移δ
x
、δ
y
表示为：
[0046]δ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种滚珠螺母裂纹故障诊断方法，包括：S1.建立滚珠丝杠螺母副正常状态下在径向方向的径向动力学模型；S2.在所述径向动力学模型中引入裂纹故障，建立故障状态下的径向动力学模型；S3.基于正常状态下的所述径向动力学模型进行仿真计算获取所述滚珠丝杠螺母副的正常运行仿真结果；基于故障状态下的所述径向动力学模型进行仿真计算获得所述滚珠丝杠螺母副在故障状态下的故障运行仿真结果；对比所述正常运行仿真结果和所述故障运行仿真结果，获取所述滚珠丝杠螺母副在故障状态下的异常特征；S4.采集所述滚珠丝杠螺母副的实际运行结果，基于所述异常特征对所述实际运行结果进行检测，并判断出所述滚珠丝杠螺母副是否具有裂纹故障。2.根据权利要求1所述的滚珠螺母裂纹故障诊断方法，其特征在于，步骤S1中，建立滚珠丝杠螺母副正常状态下在径向方向的径向动力学模型的步骤中包括：S11.基于所述滚珠丝杠螺母副建立三维坐标系；其中，以所述滚珠丝杠螺母副中螺母的轴向为z方向，以所述滚珠丝杠螺母副中螺母的铅锤径向为y方向，以所述滚珠丝杠螺母副中螺母的水平径向方向为x方向；S12.将所述滚珠丝杠螺母副转化为等效模型；S13.基于所述三维坐标系和所述等效模型对所述滚珠丝杠螺母副建立径向动力学模型。3.根据权利要求2所述的滚珠螺母裂纹故障诊断方法，其特征在于，步骤S12中，将所述滚珠丝杠螺母副转化为等效模型的步骤中，包括：将所述滚珠丝杠螺母副中的滚珠等效为弹簧阻尼系统；将所述滚珠丝杠螺母副中的螺母及附加组件作为整体等效为质量块；将所述滚珠丝杠螺母副转化为以质量块通过弹簧阻尼系统与丝杠相连接的等效模型。4.根据权利要求3所述的滚珠螺母裂纹故障诊断方法，其特征在于，步骤S13中，正常状态下的所述径向动力学模型表示为：其中，c为阻尼常数；F
x0
、F
y0
分别为作用在所述螺母x方向、y方向上的预载荷；F
x
、F
y
分别表示所述螺母在x方向、y方向所受的径向力；m表示滚珠丝杠螺母副的整体质量，δ
x
、δ
y
分别表示所述螺母在x方向、y方向的位移。5.根据权利要求4所述的滚珠螺母裂纹故障诊断方法，其特征在于，所述螺母在x方向、y方向所受的径向力F
x
、F
y
通过以下步骤获得，包括：建立所述螺母在径向方向所受的径向力与所述滚珠所受径向弹性回复力之间的初始对应关系：其中，所述初始对应关系表示为：
其中，n为初始承载滚珠数，θ为相邻两个滚珠之间的夹角，F
ni
表示滚珠所受径向弹性回复力，d
b
为滚珠直径，d
s
为丝杠节圆直径，γ为丝杠螺旋升角；基于所述滚珠在所述螺母中的循环过程对所述初始对应关系进行优化，获得所述螺母在径向方向所受的径向力与所述滚珠所受径向弹性回复力之间在任意时刻下的真实对应关系；其中，所述真实对应关系表示为：关系；其中，所述真实对应关系表示为：θ
pr
＝π(1
‑
mod(N
s
,1))cosγ,1))cosγ其中，T
b
表示滚珠通过周期，mod(N
s
，1)为N
s
除以1的余数，N
s
表示螺母中的实际承载滚道圈数；θ
pr
表示螺母中用于滚珠循环的反向器滚道开始/结束处与反向器对称中心线的夹角；θ
a
为滚珠螺母实际安装时反向器对称中心线超前于y轴的相位；F
nex
表示处于离开反向器过程中的滚珠所受径向弹性回复力；F
nen
表示处于进入反向器过程中的滚珠所受径向弹性回复力；n
s
为丝杠旋转速度；β为接触角；ω
bs
为滚珠球心绕丝杠旋转的角速度；对滚珠所受径向弹性回复力F
ni
，滚珠在进入和离开所述反向器所受径向弹性回复力F
nen
和F
nex
分别进行求解获得求解公式，并表示为：分别进行求解获得求解公式，并表示为：分别进行求解获得求解公式，并表示为：
其中，δ
ni
表示第i个滚珠的径向弹性变形量；δ
nen

【专利技术属性】
技术研发人员：胡茑庆，尹正阳，杨翼，陈凌，周洋，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：